Tài liệu KỸ THUẬT PHẢN ỨNG - VŨ BÁ MINH doc

2/6/2012 Chuong 1- Khai niem mo dau 1
KỸ THUẬT PHẢN
ỨNG
Chemical Reaction Engineering
Vuõ Baù Minh
Bm Maùy Thieát bò – ÑH Baùch Khoa TP.HCM
2/6/2012 Chuong 1- Khai niem mo dau 2
Tài liệu tham khảo
1) Vũ Bá Minh, “Quá trình & TB trong công
nghệ hóa học- tập 4” , Nxb Đại học QG
TP.HCM.
2) Octave Levenpiels; “Chemical Reaction
Engineering”, John Wiley&sons, 1999.
3) H. Scot Foggler, “Elements of Chemical
Reaction Engineering”,International
students edition, 1989.
2/6/2012 Chuong 1- Khai niem mo dau 3
Tài liệu đọc thêm
1) E.B.Nauman, “Chemical Reactor Design”, John
Wiley & sons, 1987.
2) Stanley M. Walas, “Reaction Kinetics for
Chemical Engineers”,Int. Student Edition, 1990.
3) Coulson & Richardsons, “Chemical
Engineering – Vol 6”,Elsevier, 1979.
4) Richard M. Felder, “Elementary Principles of
Chemical Processes”, John Wiley & sons, 2000.
2/6/2012 Chuong 1- Khai niem mo dau 4
 Kỹ thuật phản ứng đồng thể
(Homogeneous chemical reaction eng.)
 Kỹ thuật phản ứng dị thể
(Heterogeneous chemical reaction eng.)

2/6/2012 Chuong 1- Khai niem mo dau 5
Kỹ thuật phản ứng đồng thể
• Chương 1: Khái niệm mở đầu
(Introduction to Chem. Reaction Eng.)
• Chương 2: Xử lý dữ kiện động học
• (Interpretation of Chemical Kinetics Data)
• Chương 3: Phương trình thiết kế (Design Equation)
• Chương 4: Áp dụng phương trình thiết kế
• (Application of Design Equation)
• Chương 5: Hiệu ứng nhiệt độ. (Temperature Effects)
• Chương 6: Dòng chảy thực (Real Flow)
2/6/2012 Chuong 1- Khai niem mo dau 6
Chương 1: Khái niệm mở đầu
QUÁ TRÌNH
VẬT LÝ HÓA HỌC
THUẬN NGHỊCH
K. THUẬN NGHỊCH
TH. NGHỊCH
K. THUẬ
N
NG
TRUYỀN KHỐI
CƠ, NHIỆT
CÂN BẰNG PHA
Cân bằng P.Ư
2/6/2012 Chuong 1- Khai niem mo dau 7
Chương 1: Khái niệm mở đầu
_
• Thiết kế thiết bị phản ứng (T.B.P.Ư)
 không có khuôn mẫu,

 có thể có nhiều bản thiết kế,
 bản thiết kế tối ưu về kinh tế.
Liên quan đến nhiều lĩnh vực khác nhau:
 Nhiệt động lực học,
 Động hóa học,
 Cơ lưu chất,
 Truyền nhiệt;
 Truyền khối.
2/6/2012 Chuong 1- Khai niem mo dau 8
Các quá trình trong qui trình sản xuất công nghiệp
2/6/2012 Chuong 1- Khai niem mo dau 9
Trước khi thiết kế cần trả lới hai câu hỏi sau:
1. Phản ứng nào là phản ứng chính ?
2. Tốc độ phản ứng đó như thế nào ?
Câu hỏi 1 liên quan đến nhiệt động lực học.
Câu hỏi 2 liên quan đến các quá trình vận
tốc như: động hóa học, truyền nhiệt,
truyền khối…
2/6/2012 Chuong 1- Khai niem mo dau 10
1.1. Động hóa học
(Chemical Kinetics)
• “Động học là cách mà thiên nhiên ngăn
ngừa mọi quá trình xảy ra cùng một
lúc”.
• S.E. LeBlanc
2/6/2012 Chuong 1- Khai niem mo dau 11
1.1. Động hóa học
(Chemical Kinetics)
• Nghiên cứu tốc độ phản ứng hóa học và cơ chế
phản ứng.

1. Phản ứng đơn và phản ứng đa hợp
(single &multiple reaction)
2. Phản ứng sơ đẳng & không sơ đẳng
(elementary & non elementary reaction)
3. Cân bằng cho phản ứng thuận nghịch sơ đẳng
( Chemical Equilibrium)
4. Bậc phản ứng (Reaction Order)
5. Sự phụ thuộc nhiệt độ – định luật Arrhénius
(Temperature dependency)
2/6/2012 Chuong 1- Khai niem mo dau 12
1.2. Nhiệt động lực học
(Chemical thermodynamics)
 Nhiệt hấp thu hoặc phóng thích
 Mức độ phản ứng
1. Nhiệt phản ứng
(Heat of reaction)
2. Cân bằng hóa học
(Chemical Equilibrium)
2/6/2012 Chuong 1- Khai niem mo dau 13
1. Nhiệt phản ứng
)T (T )C(N )T (T )C(N H H
)C(N )C(N C
dTC H H
0tc
p
i0
p
iTr,Tr,
pipip
T

T
p
0
Tr,Tr,
ii
0
ii
0






sp
tcsp
2/6/2012 Chuong 1- Khai niem mo dau 14
2. Cân bằng hóa học
















12
0
Tr,
T
T
0
T r,
2
0
T r,
0
T
1

T
1

R
H

K
K
ln
constant H
T R
H

dT
lnK d
Hofft Van'
Kln RT F
0
1
2
0
0
2/6/2012 Chuong 1- Khai niem mo dau 15
1.3. Phân lọai phản ứng
Tổng hợp ammoniac
Oxit hóa ammoniac
HNO
3
Phản ứng cracking,
reforming
Tổng hợp metanol
Phản ứng cháy của than
Nung quặng
Axit + chất rắn
Hấp thu + phản ứng
Phản ứng ở thể keoPhản ứng cháy cuả ngọn
lửa
Dị thể
Phản ứng pha lỏngPhản ứng pha khí
Có xúc tácKhông xúc tácĐồng thể
2/6/2012 Chuong 1- Khai niem mo dau 16
1.4. Định nghĩa vận tốc phản ứng
 Dựa trên một đơn vị thể

tích hỗn hợp phản ứng
 Dựa trên một đơn vị thể
tích bình phản ứng
 Dựa trên một đơn vị diện
tích bề mặt tiếp xúc pha
 Dựa trên một đơn vị
khối lượng chất xúc tác
h.mmol/ ,
dt
dN

V
1
r
3
i
i

h.mol/m ,
dt
dN

V
1
r
3
i
b
'
i


h.mmol/ ,
dt
dN

S
1
r
2
i
''
i

h.kgmol/ ,
dt
dN

W
1
r
i
'''
i

2/6/2012 Chuong 1- Khai niem mo dau 17
Thí dụ 1.1
• Một động cơ hỏa tiễn đốt cháy hỗn hợp
nhiên liệu gồm H
2
và O

2
lỏng. Buồng đốt
hình trụ có đường kính là 60cm, chiều dài
75cm và quá trình đốt sinh ra sản phẩm
cháy 108 kg/s. Nếu quá trình cháy hòan
tòan, tìm vận tốc phản ứng của hydrogen và
oxygen.
•
OH O
2
1
H
222

2/6/2012 Chuong 1- Khai niem mo dau 18
Thí dụ 1.2
• Một người nặng 75 kg tiêu thụ khỏang 6.000
kJ thực phẩm mỗi ngày. Giả sử tất cả thực
phẩm là glucose và phản ứng tổng quát như
sau
• C
6
H
12
O
6
+ 6O
2
→ 6CO
2

+ 6H
2
O
• - ΔH
r
= 2.816 kJ
• Tính tốc độ biến dưỡng theo số mol
oxygen sử dụng trên m
3
cơ thể trong một
giây. Cho biết 2.816 KJ / mol glucose
2/6/2012 Chuong 1- Khai niem mo dau 19
Các yếu tố ảnh hưởng đến vận tốc phản ứng
Phản ứng đồng thể
Áp suất
Nhiệt độ
Nồng độ
Phản ứng dị thể
 ….
Truyền khối giữa hai pha
Truyền nhiệt
Giai đọan kiểm sóat vận tốc (rate controlling step)
2/6/2012 Chuong 1- Khai niem mo dau 20
Thí dụ 1.3
• Hóa chất A → 2R, thiết bị chêm bằng hạt cầu
không rỗng:
 a = 200m
2
/m
3


ρ
B
= 2.908 kg/m
3
(bulk density)
 ε = 0,40
 Xác định đơn vị các đại lượng và các dạng phương
trình vận tốc khác ?
h.kgmol/ ,C 0,1
dt
dN

W
1
- r
A
i
i
''''

2/6/2012 Chuong 1- Khai niem mo dau 21
1.5. Phân lọai thiết bị phản ứng
1) Phương pháp vận hành /họat động (Mode of Operation)
 Gián đọan (batch/ unsteady state)
 Liên tục (continuous / steady state)
 Bán liên tục (semi continuous)
2) Hình dạng thiết bị phản ứng
 Khuấy trộn lý tưởng (Ideal Mixing-Stirred Tank)
 Ống/ Đẩy lý tưởng (Ideal Plug Flow Reaactor)

3) Số pha của hỗn hợp phản ứng
 Đồng thể (Homogeneous)
 Dị thể (Heterogeneous)
2/6/2012 Chuong 1- Khai niem mo dau 22
Bình phản ứng khuấy trộn
2/6/2012 Chuong 1- Khai niem mo dau 23
Bình ống
Thiùởt bừ
phaón ỷỏng
Naphtha vaõ khủ
hoaõn lỷu
2/6/2012 Chuong 1- Khai niem mo dau 24
Kết hợp giữa hình dạng và phương
pháp vận hành sẽ có bao nhiêu
dạng thiết bị phản ứng
?
2/6/2012 Chuong 2-Xu ly du kien dong hoc 1
Chương 2: Xử lý dữ kiện động học
(Interpretation of Kinetic Data)